CN104574897B - 一种无线振动测试系统及其振动测试方法 - Google Patents

Abstract

一种无线振动测试系统及其振动测试方法，该系统包括设置于待测目标上的振动信号采集单元，用于采集待测目标上的数据；无线信号中继节点，用于转发数据及同步信号，振动信号采集单元通过至少一个无线信号中继节点将数据传送至下述中心节点；中心节点，用于接收和处理振动信号采集单元的数据，中心节点通过无线信号中继节点向振动信号采集单元发送同步信号；测试系统根据同步信号由中心节点至无线信号中继节点的中继次数分为1至N层，每个振动信号采集单元至少被一个无线信号中继节点或中心节点所发送的同步信号覆盖。本发明解决了大型结构振动测试中信号从测试点到信号的采集模块间的传输路径过长，信号衰减大、干扰多以及同步精度较低的问题。

Description

一种无线振动测试系统及其振动测试方法

技术领域

本发明属于分布式振动测试技术领域，尤其涉及一种大型结构的无线振动测试系统及振动测试方法。

背景技术

大型结构的振动测试技术关系到对结构的安全性分析及结构的性能分析。出于成本考虑，现有的大型结构的测试的数据传输多数采用有线传输的方式，但由于被测目标的结构尺寸较大，信号从测试点到信号的采集模块之间的传输路径过长，导致信号在传输过程中衰减大、干扰多，从而影响到测试结果的准确性。

为了解决以上问题，人们开始采用无线的方式进行测试数据的传输，现有振动测试系统通常是通过数据包的传输来实现测试信号同步，主要是基于时间信息交换的时间同步协议，然而，在大型无线传感器网络中，网络规模的不断扩大使得网络直径不断增加，从而导致了节点跳距的增加，同步误差随跳距的累积问题过于突出，以至于高精度的时间同步难以在大规模无线传感器网络中实现，同步精度较低。有鉴于此，有必要提出一种在测量精度及同步精度上都有所提高的大型结构无线振动测试系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高同步精度的无线振动测试系统及振动测试方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种无线振动测试系统，包括：振动信号采集单元，所述振动信号采集单元设置于待测目标上，用于采集待测目标上的数据；无线信号中继节点，用于转发数据及同步信号，所述振动信号采集单元通过至少一个无线信号中继节点将数据传送至下述中心节点；中心节点，用于接收和处理所述振动信号采集单元采集到的数据，所述中心节点通过所述无线信号中继节点向所述振动信号采集单元发送同步信号；测试系统根据同步信号由中心节点至无线信号中继节点的中继次数分为1至N层，所述每个振动信号采集单元至少被一个无线信号中继节点或中心节点所发送的同步信号覆盖。

本发明更进一步的技术方案为：所述振动信号采集单元包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、信号调理模块、加速度传感器及电源模块，所述信号调理模块与所述加速度传感器相连，所述处理芯片分别与所述无线通信模块及所述无线同步接收模块相连，所述无信通信模块向所述无线信号中继节点发送数据，所述无线同步接收模块接收所述中继节点或所述中心节点发送的同步信号。

本发明更进一步的技术方案为：所述无线信号中继节点包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块及电源模块，所述无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块均与所述处理芯片相连，所述无线通信模块将接收到的数据进行转发，所述无线同步接收模块接收来自所述中心节点或上一层无线信号中继节点的同步信号，所述无线同步发送模块向所述振动信号采集单元或下一层无线信号中继节点发送同步信号。

本发明更进一步的技术方案为：所述中心节点包括中央处理器、分别与中央处理器相连的无线通信模块和无线同步发送模块及电源模块，所述无线通信模块接收数据，所述无线同步发送模块向所述无线信号中继节点或振动信号采集单元发送同步信号。

本发明更进一步的技术方案为：所述无线通信模块和所述无线同步发送模块及无线同步接收模块工作在不同频段，上一层的无线同步信号发送模块与下一层的无线同步信号接收模块工作在同一频段。

一种无线振动测试系统的振动测试方法，包括以下步骤：

提供振动信号采集单元，用于采集待测目标上的数据，所述振动信号采集单元设置于待测目标上；

提供无线信号中继节点，用于转发数据及同步信号，所述振动信号采集单元通过至少一个无线信号中继节点将采集到的数据传送至下述中心节点，

提供中心节点，用于接收和处理所述振动信号采集单元采集到的数据，所述中心节点通过无线信号中继节点向所述振动信号采集单元发送同步信号；

测试系统根据同步信号由中心节点至无线信号中继节点的中继次数分为1至N层，所述每个振动信号采集单元至少被一个无线信号中继节点或中心节点所发送的同步信号覆盖；

将所述振动信号采集单元设置于待测目标上，初始化系统中的各节点；

中心节点向整个网络发送同步时间ts，无线信号中继节点向各振动信号采集单元转发同步时间ts；

振动信号采集单元收到同步时间ts后，经无线信号中继节点向中心节点发出确认信息，并存储ts值；

中心节点收到确认信息后，等待其上的时钟运行至ts时刻，向整个网络发送同步指令，并由无线信号中继节点向振动信号采集单元转发；

振动信号采集单元收到同步指令后，根据自身在整个网络中的层次及每一层的延时计算自身的延时时间td，并将自身的时钟设置为ts+td；第i层上的振动信号采集单元自身的延时时间td＝td1+td2+…+tdi，tdi为同步信号由第i-1层传输至第i层时的延时时间，i＝1,…,N；

振动信号采集单元在ts+td时刻开始采集数据，并将采集到的数据向无线信号中继节点传送，由无线信号中继节点传输给中心节点，中心节点计算测试结果。

本发明系统包括若干个振动信号采集单元，由无线信号中继节点将振动信号采集单元采集的数据项中心节点传送，测试点布置方便，并可在测试过程中随时动态调整测试点，便于使用与调试，现场工作时无需复杂的连线作业；中心节点通过无线网络向各个振动信号采集单元发送设定好的同步时间，当整个网络需要时间同步时，由同步中心节点发起同步信号并通过无线信号中继节点将同步信号转发至振动信号采集单元，振动信号采集单元收到同步信号后将自身的时钟设置为中心节点发送来的同步时间，以完成网络的同步作业。系统通过无线网络及同步模块协同工作来实现各部分时间的同步，实现大型无线传感器网络的高精度时间同步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明的拓扑结构示意图；

图3为本发明振动信号采集单元的结构示意图；

图4为本发明无线信号中继节点的结构示意图；

图5为本发明中心节点的结构示意图；

图6为Si4432芯片组成的无线信号接收/发送模块的结构框图；

图7为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的无线振动测试系统包括振动信号采集单元1、无线信号中继节点2和中心节点3。振动信号采集单元1设置于待测目标上，测试系统包括若干个振动信号采集单元1。振动信号采集单元1通过至少一个无线信号中继节点2将采集到的测试数据传送至中心节点3上，中心节点3对采集到的数据进行处理，得到测试结果。本发明的无线信号中继节点可为路由器，中心节点3可为计算机或服务器。如图2所示，根据传输距离和网络结构设置一个或多个无线信号中继节点2，每个无线信号中继节点2负责周围区域内的一个或一个以上的振动信号采集单元1的数据/信号的传输，完成数据及同步信号的转发，任何一个振动信号采集单元1至少被一个无线信号中继节点2或中心节点3上的同步信号发送模块所发送的同步信号覆盖。根据同步信号由中心节点至无线信号中继节点的中继次数，将整个系统分为1至N层。

如图3所示，本实施例的振动信号采集单元1包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、信号调理模块、加速度传感器以及为前述部件供电的电源模块。信号调理模块与加速度传感器相连，加速度传感器设置于待测目标上，信号调理模块将加速度传感器测得的数据解调后传送至处理芯片，处理芯片分别与无线通信模块及无线同步接收模块相连，无信通信模块用于向无线信号中继节点2发送加速度传感器采集到的测试数据，无线同步接收模块用于接收中继节点或中心节点的无线同步发送模块发来的同步信号。

如图4所示，本发明的无线信号中继节点2包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块以及为前述部件供电的电源模块。无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块均与处理芯片相连。无线信号中继节点2的无线通信模块接收到来自振动信号采集单元1的测试数据或另一级无线信号中继节点转发的测试数据，并将测试数据发送至中心节点3。无线信号中继节点2的无线同步发送模块用于向下一层(级)振动信号采集单元1或无线信号中继节点2发送同步信号，无线同步接收模块用于接收来自中心节点3或上一层(级)无线信号中继节点2的同步信号。

参照图5，中心节点3包括中央处理器、分别与中央处理器相连的无线通信模块和无线同步发送模块以及为前述部件供电的电源模块。中心节点负责测试的控制及数据的最终存储及模态分析等处理工作，中心节点3的无线通信模块接收到测试数据后，传送给中央处理器对测试数据进行处理，得到测试结果。中心节点3的无线同步发送模块用于向无线信号中继节点2或振动信号采集单元1发送同步信号。

本发明的用于传输测试数据的无线通信模块与用于传输同步信号的无线同步发送模块及无线同步接收模块工作在不同频段，上一层(中心节点和/或无线信号中继节点)的无线同步信号发送模块与下一层(振动信号采集单元及无线信号中继节点)的无线同步信号接收模块工作在同一频段，例如第i(i＝1,…,N)层上的无线信号中继节点的无线同步发送模块与第i+1层上的振动信号采集单元及无线信号中继节点的无线同步接收模块工作在同一频段，使得振动信号采集单元可以接收到由无线信号中继节点转发的同步信号。

作为本发明的一个具体实施例，前述振动信号采集单元、无线信号中继节点及中心节点的无线通信模块均采用Ti公司生产的型号为CC2520的zigbee模块；无线同步接收/发送模块的主芯片为Si4432无线收发芯片，Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收/发芯片，其工作电压为1.9～3.6V，20引脚QFN封装(4mm×4mm)，可工作在315/433/868/915MHz四个频段，内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO以及可配置的GPIO等。如图5所示，Si4432芯片结合由30MHz的晶振、电容、电感组成的外围电路可组成一个高可靠性的信号收/发系统，设计简单、成本低；前述处理芯片和中央处理模块采用型号为msp430g2553的16位MCU。

本发明测试系统的数据传输通过无线通信模块完成，各模块间的时间同步通过无线同步接收/发送模块完成，各节点之间为无线连接。本发明系统由一个中心节点及若干无线信号中继节点实现同步信号的发生和中继，在同步信号发送前，中心节点通过无线信号中继节点的无线通信模块向各振动信号采集单元发送需设置的时间，在需要进行时间同步时，由中心节点的同步发送模块发送同步信号，由无线信号中继节点转发同步信号，振动信号采集单元的同步接收模块收到同步信号后，通过修改本地时间实现时间同步。系统同步时，同步信号的形式不限，只要同步信号能在一个较窄的频带内传递二进制信号即可。本发明的无线信号中继节点对同步信号进行的转发工作通过硬件来完成。

系统的每一级同步信号的发送和接收带来的时间延时在同步发送/接收模块的设计过程中可预先测得，并可通过计算每次同步中继的延时计算出每层网络相对于中心节点的时间延时。为保证网络可靠同步，任何一个振动信号采集单元至少被一个无线信号中继节点或中心节点上的同步发送模块所发送的同步信号覆盖，在收到同步信号并修改本地时钟进行时间同步时，需考虑同步信号从中心节点传输到由不同层上振动信号采集单元时由无线信号中继节点转发所带来的时间延时。

下面对本发明振动测试系统的振动测试方法进行进一步的说明：

首先，将振动信号采集单元1设置于待测目标上，初始化系统中的各节点，配置好各个无线通信模块及无线同步发送/接收模块的工作频率，初始化同步定时器，并打开定时中断；

在系统需要同步时，中心节点3的无线通信模块向整个网络发送同步时间ts，无线信号中继节点2的无线通信模块向各振动信号采集单元1转发同步时间ts；

振动信号采集单元1的无线通信模块收到同步时间ts后，经无线信号中继节点2的无线通信模块向中心节点3发出确认信息，并存储ts值；

中心节点3收到确认信息后，等待其上的时钟运行至ts时刻，通过其上的无线同步发送模块向整个网络发送同步指令，并由无线信号中继节点向振动信号采集单元转发，即无线信号中继节点2的无线同步接收模块接收到同步指令后，通过其上的无线同步发送模块向振动信号采集单元1转发同步指令；

振动信号采集单元1收到同步指令后，根据自身在整个网络中的层次及每一层的延时计算自身的延时时间td，并将自身的时钟设置为ts+td；第i层上的振动信号采集单元自身的延时时间td＝td1+td2+…+tdi，tdi为同步信号由第i-1层传输至第i层时的延时时间，i＝1,…,N；例如，第4层上的振动信号采集单元自身的延时时间td＝td1+td2+d3+d4，其中，td1为同步信号由中心节点传输至第1层时的延时时间，td2为同步信号由第1层传输至第2层时的延时时间，以此类推；

振动信号采集单元1在ts+td时刻开始采集数据，并将采集到的数据通过无线通信模块向中继节点2传送，由中继节点2通过其上的无线通信模块传输给中心节点3，中心节点3根据接收到的数据计算出测试结果。

同步信号由第i-1层传输至第i层时的延时时间tdi可采用实验手段测得，测试方法如下：在系统进行联调时，利用多通道高速示波器，将示波器的不同通道分别与对应层的无线同步发送模块和无线同步接收模块相连，通过测试无线同步发送模块和无线同步接收模块对应芯片引脚的电平信号可以测得发送和接收过程中的延时。

本发明在待测试物体上布置振动信号采集模块，当待测物体的结构受到外部激励时，利用振动信号采集模块中的加速度传感器测试结构各位置的振动响应，测试点采集到的数据通过中继节点传送，现场工作时无需复杂的连线作业，测试点布置方便，并可在测试过程中随时动态调整各测试点，便于使用与调试；利用无线通信模块进行数据传输，无线同步发送/接收模块负责时间的同步，由于本同步方法不是利用传统的依靠收发同步包的方法进行定时，而是通过外置的同步模块硬件保证精确定时的，所以可以得到比传统方法更高的同步时间精度；解决了现有大型结构振动测试中信号从测试点到信号的采集模块之间的传输路径过长，信号衰减大、干扰多以及现有无线测试模块常通过数据包的传输来实现测试信号同步，同步精度较低的问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种无线振动测试系统，其特征在于，包括：

振动信号采集单元，所述振动信号采集单元设置于待测目标上，用于采集待测目标上的数据，所述振动信号采集单元包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、信号调理模块、加速度传感器及电源模块，所述信号调理模块与所述加速度传感器相连，所述处理芯片分别与所述无线通信模块及所述无线同步接收模块相连，所述无线通信模块向所述无线信号中继节点发送数据，所述无线同步接收模块接收所述中继节点或所述中心节点发送的同步信号；

无线信号中继节点，用于转发数据及同步信号，所述振动信号采集单元通过至少一个无线信号中继节点将数据传送至下述中心节点，所述无线信号中继节点包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块及电源模块，所述无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块均与所述处理芯片相连，所述无线通信模块将接收到的数据进行转发，所述无线同步接收模块接收来自所述中心节点或上一层无线信号中继节点的同步信号，所述无线同步发送模块向所述振动信号采集单元或下一层无线信号中继节点发送同步信号；

中心节点，用于接收和处理所述振动信号采集单元采集到的数据，所述中心节点通过所述无线信号中继节点向所述振动信号采集单元发送同步信号，所述中心节点包括中央处理器、分别与中央处理器相连的无线通信模块和无线同步发送模块及电源模块，所述无线通信模块接收数据，所述无线同步发送模块向所述无线信号中继节点或振动信号采集单元发送同步信号；

测试系统根据同步信号由中心节点至无线信号中继节点的中继次数分为1至N层，每个振动信号采集单元至少被一个无线信号中继节点或中心节点所发送的同步信号覆盖；所述无线通信模块和所述无线同步发送模块及无线同步接收模块工作在不同频段，上一层的无线同步信号发送模块与下一层的无线同步信号接收模块工作在同一频段。

2.一种无线振动测试系统的振动测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供振动信号采集单元，所述振动信号采集单元设置于待测目标上，用于采集待测目标上的数据，所述振动信号采集单元包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、信号调理模块、加速度传感器及电源模块，所述信号调理模块与所述加速度传感器相连，所述处理芯片分别与所述无线通信模块及所述无线同步接收模块相连，所述无线通信模块向所述无线信号中继节点发送数据，所述无线同步接收模块接收所述中继节点或所述中心节点发送的同步信号；

提供无线信号中继节点，用于转发数据及同步信号，所述振动信号采集单元通过至少一个无线信号中继节点将采集到的数据传送至下述中心节点，所述无线信号中继节点包括处理芯片、无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块及电源模块，所述无线通信模块、无线同步接收模块、无线同步发送模块均与所述处理芯片相连，所述无线通信模块将接收到的数据进行转发，所述无线同步接收模块接收来自中心节点或上一层无线信号中继节点的同步信号，所述无线同步发送模块向所述振动信号采集单元或下一层无线信号中继节点发送同步信号；

提供中心节点，用于接收和处理所述振动信号采集单元采集到的数据，所述中心节点通过所述无线信号中继节点向所述振动信号采集单元发送同步信号，所述中心节点包括中央处理器、分别与中央处理器相连的无线通信模块和无线同步发送模块及电源模块，所述无线通信模块接收数据，所述无线同步发送模块向所述无线信号中继节点或振动信号采集单元发送同步信号；

测试系统根据同步信号由中心节点至无线信号中继节点的中继次数分为1至N层，每个振动信号采集单元至少被一个无线信号中继节点或中心节点所发送的同步信号覆盖，所述无线通信模块和所述无线同步发送模块及无线同步接收模块工作在不同频段，上一层的无线同步信号发送模块与下一层的无线同步信号接收模块工作在同一频段；

将所述振动信号采集单元设置于待测目标上，初始化系统中的各节点；

中心节点向整个网络发送同步时间ts，无线信号中继节点向各振动信号采集单元转发同步时间ts；

振动信号采集单元收到同步时间ts后，经无线信号中继节点向中心节点发出确认信息，并存储ts值；

中心节点收到确认信息后，等待其上的时钟运行至ts时刻，向整个网络发送同步指令，并由无线信号中继节点向振动信号采集单元转发；

振动信号采集单元收到同步指令后，根据自身在整个网络中的层次及每一层的延时计算自身的延时时间td，并将自身的时钟设置为ts+td；第i层上的振动信号采集单元自身的延时时间td＝td1+td2+…+tdi，tdi为同步信号由第i-1层传输至第i层时的延时时间，i＝1,…,N，tdi采用实验手段测得：利用多通道高速示波器，将示波器的不同通道分别与对应层的无线同步发送模块和无线同步接收模块相连，通过测试无线同步发送模块和无线同步接收模块对应芯片引脚的电平信号获取发送和接收过程中的延时；

振动信号采集单元在ts+td时刻开始采集数据，并将采集到的数据向无线信号中继节点传送，由无线信号中继节点传输给中心节点，中心节点计算测试结果。